Formation du givre
Le givre est un phénomène météorologique fréquent en hiver et considéré comme l’un ou le plus grand danger pour les avions. Il résulte d’un phénomène de surfusion de l’eau présente dans les nuages, dans le brouillard ou tout simplement de l’humidité présente dans l’air.
L’une des suppositions les plus simples au sujet des nuages est que les gouttelettes des nuages sont sous forme liquide à des températures supérieures à 0 °C et qu’elles se transforment en cristaux de glace quand la température descend de quelques degrés sous zéro. 0 °C est ce qu’on appelle le point de congélation (pour l’eau) : c’est la température à laquelle les gouttelettes d’eau sont censées geler.
Bien que certaines des gouttelettes gèlent spontanément juste sous 0 °C, d’autres demeurent à l’état liquide à des températures beaucoup plus basses. Cet état d’équilibre très précaire est rompu si on apporte à la goutte d’eau une très faible quantité d’énergie, sous la forme d’un choc par exemple. L’eau change d’état, et passe à l’état solide. C’est ce qu’on appelle la surfusion.
Les plus petites gouttes peuvent rester liquides jusqu’à une températue de -40°C.
En clair, Les gouttelettes demeurant à l'état liquide à des températures inférieures au point de congélation sont dites surfondues.
La grosseur des gouttelettes et la fréquence à laquelle elles frappent l'appareil ont aussi de l'importance. Le type de givrage dépend du degré de congélation d'une goutte lorsqu'une autre goutte frappe au même endroit. Si les gouttelettes s'empilent rapidement sans être complètement congelées, les parties encore liquides se mélangent et s'étalent avant de geler.
La formation du givre dépend de trois paramètres :
-la température de l’air environnant
-le contenu en eau liquide (CEL)
-la taille des goutelettes
Température
Etant donné que le point de congélation de l’eau se situe à 0°C, il ne peut y avoir de givrage dans un nuage dont la température est positive. De même, les noyaux glaçogènes sont tous actifs à partir de –35°C. 0n peut considérer que le givrage est nul en dessous de –35°C.
Entre 0° et -15°C, l’eau condensée est majoritairement liquide et surfondue. Le nuage présente un fort potentiel givrant.
Contenu en eau liquide
Le CEL exprime la quantité d’eau liquide condensée présente dans un mètre cube d’air humide (g/m3).
Le contenu en eau liquide du nuage dépend de la taille et du nombre des gouttelettes dans un volume d’air donné. Plus le contenu en eau liquide est élevé, plus il y a de goutelettes potentiellement capable de se congeler ( plus le potentiel de givrage est élevé). Les nuages qui renferment de forts courants verticaux ont généralement un contenu en eau liquide plus élevé, car les courants ascendants empêchent les grosses gouttelettes de tomber.
Ainsi, c’est dans les nuages dits “instables” (Cumulus, Altocumulus, Cumulonimbus) que l’on trouvera le CEL le plus important (jusqu’à 5g/m³)
Taille des goutelettes
Plus il y a de grosses gouttes, plus le givrage sera sévère. De petites s’agglomèreront au même endroit tandis que de grosses goutes auront le temps de s’étaler vers l’arrière en gelant.
Remarque : A partir de 40 microns une gouttelette devient goutte.
Types de givre
Il y a plusieurs moyens pour que du givre se forme, et donc plusieurs types de givrage.
Rosée blanche
On appelle rosée blanche une rosée qui s’est déposée à l’état liquide sur un objet (par exemple un avion garé à l’extérieur) dont la température était juste au dessous du point de congélation. La rosée qui a alors gelé forme maintenant un dépôt glacé.
Son apparence la distingue de la gelée blanche, en ce qu'elle est opaque et présente des reflets cristallins.
Gelée blanche
Ce terme désigne une formation cristalline blanche en forme de plumes qui se dépose sur les objets, suite au gel de la vapeur d'eau contenu dans l'air.
Elle se forme par sublimation, soit par passage direct de la vapeur d'eau à l'état solide, sans passer par l'état liquide. Pour cela, il faut que la température de l’objet soit assez basse sous le point de congélation (par une nuit froide d’hiver, par exemple).
La gelée blanche se forme surtout sur surfaces métalliques, plus froides comme le toit des voitures ou l’entière surface d’un avion.Moins il y a d'humidité, plus la température de l’objet doit être basse pour créer ce dépôt.
La gelée blanche se forme aussi en vol lorsque, par exemple, un appareil volant à des températures au-dessous du point de congélation, descend brusquement en air humide et plus chaud.
Cette condition givrante persiste jusqu'à ce que la température de l’objet soit la même que celle de l'air ambiant.
Givre blanc
Le givre blanc est produit par de petites gouttelettes quand chaque gouttelette a le temps de geler complètement avant qu’une autre gouttelette frappe le même endroit.
Les gouttelettes en surfusion congèlent très rapidement et emprisonnent beaucoup d’air en touchant l’avion. De ce fait, la glace formée est opaque, plutôt friable et fragile.
Il se forme sur les bords d'attaque, les pare-brise, les pales d'hélices, les antennes, les tubes de Pitot..., s’accumule vers l’avant dans l’écoulement d’air et possède de faibles propriétés adhérentes.
Pour qu'il se forme, la cellule doit demeurer sous 0º C, tandis que les gouttelettes surfondues gèlent complètement et rapidement sans s'étaler derrière le point d'impact.
Givre transparent ou clair
Contrairement au givre blanc, le givre transparent se forme par la présence de grosses goutelettes en surfusion. Une partie seulement de chaque gouttelette surfondue gèle au contact, laissant une grande partie de l'eau s'étaler et se mêler aux autres gouttelettes avant de geler complètement.
L’eau encore en surfusion a tendance à s’étendre vers l’arrière sur les surfaces de l’avion pour former une glace ayant de fortes propriétés adhérentes.
Ainsi, il y a formation d’une glace claire, vitreuse et dure qui s'étale souvent irrégulièrement sur les surfaces des ailes, les pales d'hélice, les antennes, le pare-brise, et qui bouche les prises statiques, les tubes de Pitot, etc. Il est difficile à briser ou à déloger, car il ne contient pas de bulles d’air emprisonné pouvant affaiblir sa structure.
Ce type de givre est le plus dangereux, car il peut “contaminer” une grande partie de la surface de l’avion. Il se forme lorsque la température de la cellule est portée à 0º C, alors que les gouttelettes gèlent à sa surface.
Une cellule dont la température atteint 0 °C durant la congélation des gouttelettes, et un taux de prise élevé de grosses gouttes surfondues, sont les conditions les plus favorables à la formation de givre transparent.
Givre mixte
Quand la température et la taille des gouttelettes varient beaucoup, la glace qui se forme est un mélange de givre blanc et de givre transparent.
Ce type de glace est habituellement plus adhérant que le givre blanc; il est opaque et rude et s’accumule plus rapidement vers l’avant dans l’écoulement d’air que vers l’arrière sur les surfaces de l’avion.
Intensité
L'intensité du givrage peut être qualifiée de légère, modérée ou forte. Il est difficile de définir ces termes avec précision.
L'OACI a défini qu'on doit indiquer l'intensité du givrage selon le taux d'accrétion de la glace sur les appareils. Les définitions suivantes sont des extraits de la publication d'Environnement Canada intitulée MANAIR.
-Givrage léger : Le taux d'accrétion de la glace est tel qu'un certain danger peut exister si on n'utilise pas de système de dégivrage lors d'un vol de plus d'une heure. L'emploi intermittent d'un système antigivrage ou de dégivrage élimine ou empêche l'accumulation de glace. En utilisant un tel système, on peut voler sans problème.
-Givrage modéré : Le taux d'accrétion de la glace est tel que même de courtes périodes d'exposition peuvent devenir dangereuses. On doit alors utiliser un système antigivrage ou de dégivrage, ou encore changer de route.
-Givrage fort : Le taux d'accrétion de la glace est tel que les systèmes de dégivrage ou antigivrage ne parviennent pas à réduire le danger. Il faut immédiatement changer de route.
Il existe une relation directe entre l'intensité et le type de givrage, puisque le givre transparent se forme lorsque le taux de prise est élevé, créant une situation plus sérieuse que dans le cas du givre blanc.
Quant à la gelée blanche et à la rosée blanche, le léger dépôt qui en résulte est trop minime pour qu'on parle d'intensité.
Pires conditions de givrage
Les pires conditions de givrage se produisent lorsqu'un appareil, dont la température de la cellule est au point de congélation ou légèrement en dessous, vole dans des nuages dont le contenu en eau est élevé, et qui contient de grosses gouttelettes surfondues.
On retrouve normalement ces conditions dans des nuages de type cumulus, tel le cumulonimbus, ou bien dans la base des nuages en nappe.
De plus, l'importance du givrage dépend de la durée du vol dans une zone de givrage et du type d'appareil. Les appareils ayant des ailes minces sont plus sujets de givrage que ceux ayant des ailes plus épaisses.